CN115295405B - 一种提高宽禁带半导体载流子浓度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高宽禁带半导体载流子浓度的方法，通过高温退火结合原位高强度紫外光照的方法提高宽禁带半导体材料中的载流子浓度，包括：室温下用光子通量1017~1019 cm‑2 s‑1的高强度紫外光照射宽禁带半导体材料，在保持紫外光照射的同时，让宽禁带半导体材料升温至退火温度，维持退火温度一段时间，然后降温至室温，结束紫外光照射，得到载流子浓度提高的宽禁带半导体材料。该方法操作简单，不影响宽禁带半导体材料的生长过程，保持最优的晶体质量，同时可以有效降低宽禁带半导体材料中补偿性缺陷的密度，提高载流子浓度，从而提高器件的性能和可靠性，具有很强的实用性。

Description

一种提高宽禁带半导体载流子浓度的方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种提高宽禁带半导体载流子浓度的方法。
背景技术
宽禁带半导体是在第一代元素半导体材料（硅）和第二代化合物半导体材料（砷化镓、磷化镓、磷化铟等）之后发展起来的第三代半导体材料。这类材料主要包括碳化硅、氮化镓、氧化镓、氮化铝以及金刚石等。宽禁带半导体材料具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点，在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用潜力。在宽禁带半导体中，减少补偿缺陷密度，提高掺杂载流子浓度，是实现高性能电力电子和光电子器件的主要要求。然而，掺杂的过程中降低了补偿性缺陷的形成能，使得宽禁带半导体在掺杂的同时伴生了大量的补偿性缺陷，从而大大降低了掺杂的载流子浓度。目前国际上对这些补偿性缺陷的控制是一个重大挑战。例如，在p型氮化镓栅极AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）器件中，为了得到更高并且更稳定的阈值电压，必须提高p型氮化镓的空穴浓度。然而，p型氮化镓面临着严重的自补偿效应，随着空穴浓度的升高，费米能级朝价带移动，补偿性缺陷氮空位的形成能会快速降低，从而形成高密度的氮空位缺陷补偿空穴，大大抑制空穴浓度的进一步提高。这个问题严重限制了氮化镓基高压电力电子器件的发展，是目前氮化镓基高压电力电子器件所面临的主要问题之一。
降低缺陷密度的传统方法集中在材料的外延生长过程，比如生长组分的选择、温度、压力、共掺杂等，但是这些参数的调控都受到生长速率、反应动力学和掺杂的限制。一方面，这些生长参数的调控对补偿性缺陷的形成能的影响十分有限，减少缺陷密度，提高载流子浓度的效果不明显。另一方面，改变这些生长参数会使得材料偏离最优的生长环境，从而使得晶体质量下降，得不偿失。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种在保持最优生长参数的条件下降低宽禁带半导体中的载流子补偿性缺陷密度，提高载流子浓度的方法。由于传统调控外延生长的方法偏离了晶体生长的最优生长参数，使得晶体质量下降。本方法采用生长之后再对材料进行后处理，不影响材料生长过程，从而可以保持材料晶体质量在较高水平。同时，本发明方法操作简单且快捷有效，相比传统调控生长参数的方法，本方法能够在不影响晶体质量的前提下，提高宽禁带半导体的导电特性，从而提高器件的性能和可靠性。
本发明所采取的技术方案是：一种提高宽禁带半导体载流子浓度的方法，通过高温退火结合原位高强度紫外光照的方法提高宽禁带半导体材料中的载流子浓度，具体包括以下步骤：
步骤一：生长宽禁带半导体材料；
步骤二：室温下用光子通量1017 ~ 1019 cm-2 s-1的高强度紫外光照射宽禁带半导体材料；
步骤三：保持紫外光照射的同时，让宽禁带半导体材料升温至退火温度；
步骤四：在紫外光照射的同时，维持宽禁带半导体材料在退火温度一段时间；
步骤五：保持紫外光照射的同时，让宽禁带半导体材料降至室温；
步骤六：结束紫外光照射，获得载流子浓度提高的宽禁带半导体材料。
步骤一中，所述宽禁带半导体材料包括但不限于氮化镓、碳化硅、氧化镓、金刚石、氧化铝、AlGaN等宽禁带半导体材料，生长方法包括但不限于金属有机化合物气相外延方法（MOCVD）、分子束外延方法（MBE）、氢化物气相外延方法（HVPE）、物理气相传输（PVT）等方法。由于本发明是在宽禁带半导体材料生长后对其进行后处理，所以在步骤一可以按照最优的生长参数生长宽禁带半导体材料。
步骤二中，将宽禁带半导体材料置于带可透过紫外光窗口的退火设备中，让高强度紫外光照射宽禁带半导体材料。有效的紫外光波长范围为光子能量大于所处理宽禁带半导体材料禁带宽度的紫外光。紫外光光源包括但不限于汞灯、氘灯等常见紫外光灯。光源功率10W ~ 1000W，对应光子通量1017 ~ 1019 cm-2 s-1。退火气氛可以为氮气、氦气、氩气等惰性保护气体，也可以为真空环境，视具体宽禁带半导体材料选择最佳的退火气氛。步骤二在室温紫外光照射条件下保持0 ~ 600 s。
步骤三中，使宽禁带半导体材料在惰性保护气氛或者真空环境中，从室温升温至300 ~ 1200 ℃的退火温度，同时保持紫外光照射。其中，升温速率一般为10 ~ 200 ℃/s。
步骤四中，升温至设定温度后，在高温下保持0 ~ 3600 s。
步骤五中，降温速率控制在1 ~ 200 ℃/s。
步骤六中，待宽禁带半导体材料恢复至室温之后再关闭紫外光源。
以p型氮化镓宽禁带半导体材料为例，步骤二在氮气氛围下采用高压汞灯或氘灯为紫外光源室温照射60 ~ 600 s；步骤三从室温升温至500 ~ 800 ℃，保持氮气氛围和紫外光照射；步骤四在氮气氛围中500 ~ 800 ℃下保持紫外光照射300 ~ 3600 s。
采用本发明的技术方案所产生的有益效果包括：本发明是在高温条件下，利用高强度紫外光照激发宽禁带半导体材料中电子的带边跃迁，在材料中产生大量的电子空穴对。这些过量的非平衡载流子使得少子的准费米能级从多子能带带边移动到少子能带带边。由于宽禁带半导体禁带宽度很大，对应的准费米能级的移动也会很大。进一步的，会使得补偿性缺陷的准费米能级发生较大的移动，一般来说，会从多子能带的带边移动到禁带中间附近，从而大幅提高补偿性缺陷的形成能，降低其缺陷密度。本发明方法操作简单，不影响宽禁带半导体材料的生长过程，能够保持最优的晶体质量，同时可以有效降低宽禁带半导体材料中补偿性缺陷的密度，提高载流子浓度，从而提高器件的性能和可靠性，具有很强的实用性。
附图说明
图1为本发明实施例的操作流程图。
图2为本发明实施例中提高p型氮化镓空穴浓度的典型温度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
本实施例为降低p型宽禁带半导体氮化镓中的补偿性本征缺陷氮空位的密度，提高空穴载流子的浓度。按照图1所示的流程进行操作，具体步骤如下：
步骤一，外延单晶：利用金属有机化合物气相外延方法（MOCVD），在蓝宝石衬底上连续外延生长50 nm氮化铝，2 μm 非掺氮化镓和800 nm镁掺杂的p型氮化镓材料。其中50nm氮化铝和2 μm 非掺氮化镓为过渡层，用以优化800 nm镁掺杂的p型氮化镓层的晶体质量。
步骤二，加光照射：将p型氮化镓材料置于带可透过紫外光窗口的退火台中，打开高强度紫外光源照射p型氮化镓材料，室温下照射60 s，退火气氛为氮气氛围。本实施例中所用紫外光源为功率500 W的高压汞灯，对应有效光子通量为1018 cm-2 s-1。
步骤三，升温：以20 ℃/s的升温速率从室温升温至600 ℃，保持氮气氛围和紫外光照。
步骤四，保持高温照射：在600 ℃，紫外光照的条件下保持3600 s。
步骤五，降温：以10 ℃/s的降温速率从600 ℃降温至室温，保持氮气氛围和紫外光照。
步骤六，停止光照：关闭高压汞灯，取出p型氮化镓材料。
图2是利用本方法提高p型氮化镓空穴载流子浓度的典型温度曲线图，具体表示的是步骤二至步骤六中的温度时间变化曲线。经过上述高温退火结合原位高强度紫外光照处理后的p型氮化镓材料与未经处理的p型氮化镓材料相比，通过范德堡（van der Pauw）法霍尔效应测试测得的空穴载流子浓度从4.5×1017 cm-3 上升到7.3×1017 cm-3，空穴载流子浓度上升幅度62%。上述结果表明，利用本方法处理，可以有效提高p型氮化镓的空穴浓度。
需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种提高宽禁带半导体载流子浓度的方法，其特征在于，通过高温退火结合原位高强度紫外光照的方法提高宽禁带半导体材料中的载流子浓度，包括以下步骤：
1）生长宽禁带半导体材料；
2）室温下将宽禁带半导体材料置于带能透过紫外光窗口的退火设备中，退火气氛为惰性保护气体或真空环境，用光子通量1017 ~ 1019 cm-2 s-1的高强度紫外光照射宽禁带半导体材料，所述紫外光中包括光子能量大于所处理宽禁带半导体材料禁带宽度的紫外光；
3）保持紫外光照射的同时，让宽禁带半导体材料升温至退火温度600 ~ 1200 ℃；
4）在紫外光照射的同时维持宽禁带半导体材料在退火温度一段时间；
5）保持紫外光照射的同时，让宽禁带半导体材料降至室温；
6）结束紫外光照射，获得载流子浓度提高的宽禁带半导体材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述宽禁带半导体材料选自氮化镓、碳化硅、氧化镓、金刚石、氧化铝和AlGaN，步骤1）生长宽禁带半导体材料的方法选自金属有机化合物气相外延方法、分子束外延方法、氢化物气相外延方法和物理气相传输方法。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）按照最优的生长参数生长宽禁带半导体材料。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2）在室温紫外光照射条件下保持0 ~600 s。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3）使宽禁带半导体材料在惰性保护气氛或者真空环境中，从室温升温至600 ~ 1200 ℃的退火温度，同时保持紫外光照射。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3）的升温速率为10 ~ 200 ℃/s。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4）升温至退火温度后维持0~3600 s。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5）的降温速率为1 ~ 200 ℃/s。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述宽禁带半导体材料为p型氮化镓，步骤2）在氮气氛围下采用高压汞灯或氘灯为紫外光源室温照射60 ~ 600 s；步骤3）从室温升温至600 ~ 800 ℃，保持氮气氛围和紫外光照；步骤4）在氮气氛围中600 ~ 800 ℃下保持紫外光照射300 ~ 3600 s。
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